Mecánica de SuelosBarinas - Venezuela

Ingeniería CivilNocturnoProf. Ing. Freddy Rodríguez

Barinas, Diciembre 2010

ÍNDICE

CLASIFICACIÓN DE LOS SUELOSCLASIFICACIÓN DE LOS SUELOS

Pág.

Introducción……………………………………………………………..………………………. 3

Sistema Unificado de Clasificación de Suelos………………………………………………. 5

Esquema Simplificado del Sistema Unificado de Clasificación de

Suelos……………….

6

Descripción del Método SUCS………………………………………………………………... 6

Clasificación de los suelos según la AASHTO…………...…………………………………. 10

CLASIFICACIÓN H.R.B. (Highway Research Board)……………………………………… 11

Descripción del Método HRB…………………………………………………………………. 11

Comparación entre los Métodos de Clasificación de Suelos………….…………………... 12

Anexos…………………………………………………………………………………………… 13

Anexo N°1: Norma ASTM D-2487 fundamento del Sistema SUCS……………………… 14

Anexo N°2: Norma AASHTO M-145 fundamento del Sistema

HRB………………………

15

Conclusiones……………………….…………………………………………………………… 16

Bibliografía……………………….…………………………………………………..………… 17

INTRODUCCIÓN

El comportamiento de los suelos es complejo debido a la naturaleza granular y a la

coexistencia de partículas sólidas con fluido intersticial que generalmente está compuesto por

más de un fluido (agua, contaminantes orgánicos e inorgánicos, gases como ser aire o metano,

etc.). El entendimiento actual del comportamiento de los suelos ha evolucionado a través del

siglo XX, incluyendo esfuerzos efectivos (Terzaghi en los años ‘20), coloides y arcillas (Goy,

Chapman en los ’10, Lambe y Mitchell en los ’50), dilatación en corte (Taylor 1948 y Estado

Crítico con Roscoe, Schofield y Wroth en los ’60), fase fluida mixta y suelos no saturados

(Bishop, Aitchinson, Fredlund y Morgenstern en los ’60). Una nueva etapa se anticipa

actualmente con el estudio de la geo-química mediada por microorganismos la cual no es

considerada en los métodos de clasificación actuales.

Las distintas clasificaciones de suelos intentan capturar y describir este complejo material en

vista a aplicaciones específicas, con sus correspondientes necesidades: construcción de

autopistas y pavimentos, agricultura, minería o geomecánica.

Las diferentes clasificaciones incluyen:

1) el sistema unificado de clasificación de suelos SUCS,

2) El sistema de la American Association of State Highway & Transportation Officials AASHTO

3) El método propuesto por la Federal Aviation Administration FAA,

4) El sistema de US Department of Agriculture USDA, y 5) la taxonomía del Eurocódigo, entre

otros.

En el presente informe se abordará de manera detallada la primea y segunda clasificación de

los suelos.

SISTEMAS DE CLASIFICACIÓN DE SUELOS

Objetivo:

Determinar los elementos característicos de las metodologías actuales de Clasificación de los

Suelos

Alcance:

El informe está enmarcado en dos metodologías:

- Sistema Unificado de Clasificación de los Suelos SUCS, basado en la Norma ASTM D-

2487

- Metodología HRB (Highway Research Bureau), basado en la norma AASHTO M-145.

SISTEMAS DE CLASIFICACIÓN DE SUELOS

Para efectuar la clasificación del suelo para ambos métodos bien sea por el Sistema

Unificados de Clasificación de Suelo (SUCS) ó por el Sistema HRB (AASHTO M 145-82) es

necesario comenzar con un ensayo granulométrico el cual es el paso inicial o paso de entrada

a cada uno de los sistemas que se discutirán.

El ensayo granulométrico consiste en:

GRANULOMETRÍA: Determina la distribución de las partículas por tamaño de unamuestra de suelo. muestra de suelo.

PROCEDIMIENTO:a. ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO => CURVA GRANULOMETRICAb. Fracción mayor a 0,075 mm (Tamiz #200)c. Análisis por vía secad. Tamizadoe. Fracción menor a 0,075 mm (Tamiz #200)f. Análisis por vía húmedag. Método del Hidrómetro.

SISTEMA UNIFICADO DE CLASIFICACIÓN DE SUELOS

El Sistema Unificado de Clasificación de Suelos, SUCS (IRAM 10509 y ASTM D 2487 y

2488) es el de uso más extendido en la práctica geotécnica. Fue inicialmente propuesto por

Arthur Casagrande en 1932, tentativamente adoptado por el Departamento de ingeniería de los

EEUU en 1942 y definitivamente presentado a la ASCE en 1948 (Casagrande 1932, 1948). La

U.S. Army Corps of Engineers comenzó a emplearla en 1953 en tanto que la U.S. Bureau of

Reclamation lo hizo en 1974. Está basado en el análisis granulométrico y en los límites de

Atterberg (límites líquido y plástico) de los suelos.

Esta clasificación divide los suelos en:

Suelos de grano grueso.

Suelos de grano fino.

Suelos orgánicos.

Los suelos de granos grueso y fino se distinguen mediante el tamizado del material por el tamiz

N°200.

Los suelos gruesos corresponden a los retenidos en dicho tamiz y los finos a los que lo pasan,

de esta forma se considera que un suelo es grueso si más del 50% de las partículas del mismo

son retenidas en el tamiz No. 200 y fino si mas del 50% de sus partículas son menores que

dicho tamiz.

Los suelos se designan por símbolos de grupo. El símbolo de cada grupo consta de un prefijo y

un sufijo. Los prefijos son las iníciales de los nombres en ingles de los seis principales tipos de

suelos (grava, arena, limo, arcilla, suelos orgánicos de grano fino y turbas), mientras que los

sufijos indican subdivisiones en dichos grupos.

Suelos gruesos. Se dividen en gravas y arena, y se separan con el tamiz No. 4, de manera que

un suelo pertenece al grupo de grava si más del 50% retiene el tamiz No. 4 y pertenecerá al

grupo arena en caso contrario.

Suelos finos. El sistema unificado considera los suelos finos divididos entre grupos: limos

inorgánicos (M), arcillas inorgánicas © y limos y arcillas orgánicas (O). Cada uno de estos

suelos se subdivide a su vez según su límite liquido, en dos grupos cuya frontera es Ll = 50%.

Si el límite líquido del suelo es menor de 50 se añade al símbolo general la letra L (low

compresibility). Si es mayor de 50 se añade la letra H (hig compresibility). Obteniéndose de

este modo los siguientes tipos de suelos:

ML: Limos Inorgánicos de baja compresibilidad.

OL: Limos y arcillas orgánicas.

CL: Arcillas inorgánicas de baja compresibilidad.

CH. Arcillas inorgánicas de alta compresibilidad.

MH: Limos inorgánicos de alta compresibilidad.

OH: arcillas y limos orgánicas de alta compresibilidad.

La primera y más importante decisión esta dada por el contenido de finos, definido como el

correspondiente a partículas de diámetro equivalente menor a 0,075 mm, pasante del tamiz

#200. Si menos del 50% en peso del suelo pasa el tamiz #200, entonces el suelo es “grueso” y

se subclasifican en arena o grava usando el tamiz #4. De otro modo, el suelo es “fino” y se

subclasifican en limo o arcilla, usando los límites de plasticidad. La Figura 1 presenta un

esquema simplificado del SUCS.

Figura N°1: Esquema Simplificado del Sistema Unificado de Clasificación de Suelos

DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO SUCS

El Sistema Unificado de Clasificación de Suelos. Está basado en el análisis

granulométrico y los límites de Atterberg. El tamaño de las partículas determina la naturaleza

de las fuerzas que gobiernan el comportamiento de los suelos. Fuerzas de naturaleza eléctrica

(fuerzas atractivas y repulsivas de van der Waals) predominan en partículas menores a 75 mm

(Tamiz #200).

La importancia del tamiz #200 se hace evidente cuando se analizan las fuerzas dominantes

sobre las partículas, incluyendo las de peso propio, las fuerzas debidas a los esfuerzos

efectivos, fuerzas eléctricas, y fuerzas capilares. La Figura 2 (parte superior) muestra la

correlación existente entre el tamaño equivalente de las partículas y la naturaleza de las

fuerzas gobernantes. Nótese que los tamices #200 y #4 logran capturar estos límites.

Desde el punto de vista del diseño, la velocidad de disipación del exceso de presión de poros

discrimina entre análisis en condiciones “drenadas” o en condiciones “no drenadas”.

Típicamente, las condiciones de carga “drenadas” están asociadas a suelos de grano grueso,

en tanto que las de carga “no drenadas”, a suelos de grano fino. Sin embargo, un suelo de

grano grueso pero con la presencia de sólo ~10% de finos ve afectada grandemente su

permeabilidad, haciendo que su valor cambie en órdenes de magnitud. Consecuentemente, el

SUCS tiene un rango del 5% al 12% de contenido de finos que modifica la clasificación de

suelos. En efecto, un suelo granular con relación

de vacíos e~0,6 colmata su espacio intersticial con ~5% a 15% de finos. En la ausencia de

finos, el empaquetamiento de granos en suelos gruesos (gravas o arenas) depende del

coeficiente de uniformidad Cu = D60/D10 ; este determina las máximas y mínimas relaciones

de vacío que un determinado suelo granular puede alcanzar (ver también Sección 3.4). El

coeficiente de curvatura Cc=D302/(D10.D60) agrega información acerca de la convexidad de la

curva granulométrica, indicando la presencia de diámetros extremos.

Por otro lado, los límites de Attergerg son escogidos para clasificar los suelos finos. Estos

ensayos cuantifican la superficie específica, cuya importancia se detalla en la Sección 3.1, y la

formación de fábrica. Los ensayos de límites de consistencia deben ser realizados con el

mismo fluido que estará involucrado durante la vida útil del proyecto ya que diferentes iones y

concentraciones afectan la capa difusa y las fuerzas de repulsión.

El sistema Unificado de clasificación de suelos, utiliza como identificación los siguientes símbolos:

Fracción Gruesa (FG)= 100% menos lo que pasa el tamiz No. 200.

Para que el suelo sea una grava debe cumplirse lo siguiente: Retiene el tamiz No. 4 > ½ FG

Retiene el tamiz No. 4: 100 menos lo que pasa el tamiz No. 4

Para que el suelo sea una arena debe cumplirse lo siguiente: Retiene el tamiz No. 4 < ½ FG

Las gravas con 5 a 12% de finos requieren el uso de símbolos dobles: GW-GM grava bien

graduada con limo; GW-GC

grava bien graduada con arcilla; GP-GM grava mal graduada con limo; GP-GC grava mal

graduada con arcilla.

Las arenas con 5 a 12% de finos requieren el uso de símbolos dobles: SW-SM arenas bien

graduada con limo; SW-SC

arenas bien graduada con arcilla; SP-SM arena mal graduada con limo; SP-SC arena mal

graduada con arcilla.

Cu = D60/D10 Cc = D30²/D60*D10. Cu: Coeficiente de uniformidad. Cc: Coeficiente de

curvatura.

Si los límites de Atterberg se sitúan en el área sombreada de la carta de plasticidad, el suelo es

una arcilla limosa CL-ML.

Si el suelo contiene _ 15% de arena, añada “con arena” al nombre del grupo.

Si el suelo contiene _ 15% de grava añada “con grava” al nombre del grupo.

Si el suelo contiene 15 a 29% mayos de la malla No. 200 añada “con arena” o “con grava”, el

que sea predominante.

Si el suelo contiene _ 30% mayor de la malla No. 200, predominantemente arena, añada

“arenoso” al nombre del grupo.

Si el suelo contiene _ 30% mayor de la malla No. 200, predominantemente grava, añada

“gravoso” al nombre del grupo.

La clasificación de los suelos según la AASHTO (HRB):

El sistema de clasificación de suelos de la "American Association of State Highway and

Transportation Officials" es el más utilizado actualmente y se basa en las prestaciones de

suelos utilizados en la practica para construir carreteras. El sistema de la AASHTO (AASHTO

M 145-82) lo que es lo mismo HRB (Highway Research Board = Consejo de Investigación de

Autopistas) , fue originalmente desarrollado en los años ‘20.

La tabla que viene a continuación muestra la distribución que hace el sistema. Divide los

materiales en siete grupos principales con varios subgrupos.

La tabla muestra el análisis según mallas así como el límite líquido e índice de plasticidad de

las fracciones que pasan la malla Nº40. Al pie de la tabla aparece el índice del grupo fundado

en una fórmula que tiene en cuenta el tamaño de la partícula, y los índices Limite Liquido e

Índice de plasticidad. El índice del grupo indica la idoneidad de un suelo determinado para

construir explanaciones. El índice de un grupo igual a "0" indica un material bueno mientras que

un índice igual a "20" indica un material deficiente.

CLASIFICACIÓN H.R.B. (Highway Research Board)

Clasificación GeneralSuelos Granulares

(max. 35% pasa la malla Nº200)Suelos Limo Arcilla

(más de 35% pasa la malla Nº200)

Grupo de SueloA - 1

A - 3A - 2

A - 4 A - 5 A - 6A - 7

A - 7 - 5 A - 7 - 6A - 1 - a A - 1 - b A - 2 - 4 A - 2 - 5 A - 2 - 6 A - 2 - 7

Pasa la Malla

Nº10 Máx.50

Nº40 Máx.30 Máx.50 Mín.31

Nº200 Máx10 Máx.25 Máx.10 Máx.35 Máx.35 Máx.35 Máx.35 Mín.36 Mín.36 Mín.36 Mín.36

Fracción bajo la

malla Nº40

Límite Líquido Máx.40 Mín.41 Máx.40 Mín.41 Máx.40 Mín.41 Máx.40 Mín.41

Índice de Plasticidad Máx.6 N.P. Máx.10 Máx.10 Mín.11 Mín.11 Máx.10 Máx.10 Mín.11 Mín.11

Índice de Grupo I.G. 0 0 0 Máx.4 Máx.8 Máx.12 Máx.16 Máx.20

Principales Materiales constituyentes

Gravas y ArenasArenas Finas

Gravas y Arenas Limosas y Arcillosas

Suelos Limosos Suelos Arcillosos

A-1-a Principalmente gravas con o sin partículas finas de granulometrías bien definidas.A-1-b Arena con o sin partículas finas de granulometrías bien definidas.A-2-4 Materiales granulares con partículas finas limosas.A-2-5 Intermedio.A-2-6 Materiales granulares con partículas finas arcillosas.A-2-7 Intermedio.A-3 Arena de granulometría deficiente que casi no contiene partículas finas ni gravas.A-4 Principalmente partículas finas limosas.A-5 Tipos de suelos poco frecuentes que contienen partículas finas limosas, generalmente elásticos y difíciles de compactar.A-6 Contienen partículas finas limosas o arcillosas con un limite liquido bajo.A-7-5 Las arcillas y limos más plásticos.A-7-6 Las arcillas y limos más plásticos.

Método para clasificar:Con los datos del suelo se procede a tratar de encasillarlo desde la izquierda hacia la derecha.El grupo correspondiente se encuentra por eliminación.El primer grupo de la izquierda que corresponda a las características del suelo es el correcto.Se ha colocado el grupo A3 antes que el A2 por razones de clasificaciónLos suelos del subgrupo A-7-5 tiene LP mayor o igual a 30Los suelos del subgrupo A-7-6 tiene LP menor a 30

Expresión para el cálculo del Indice de Grupo (IG):IG = 0.2 a + 0.005 ac + 0.01 bd El rango válido para el valor del IG está entre 0 Y 20Los valores a, b, c y d se calculan como:a = % que pasa en malla Nº200 – 35 Rango válido: 0 – 40b = % que pasa en malla Nº200 – 15 Rango válido: 0 - 40c = LL – 40 Rango válido: 0 – 20d = IP – 10 Rango válido: 0 - 20 Observación importante:

Si bien este sistema de clasificación de suelos está orientado al diseño de carreteras, hay una

excepción que es interesante de conocer. Es el caso de suelos de fundación para edificación.

Si aparentemente, el suelo es expansivo, además de la clasificación USCS, conviene pedir la

clasificación AASHTO. Si el resultado es A7, esto confirmaría el problema y debe tomarse

medidas especiales de diseño y construcción.

COMPARACIÓN DEL SISTEMA UNIFICADO DE CLASIFICACIÓN DE SUELOS Y EL HRB

(AASHTO)

El Sistema HRB se fundamenta en la norma AASHTO M-145, específicamente en

distribución granulométrica, límite líquido y límite plástico. Los tamices estándar #10, #40 y

#200 (aberturas de 2 mm; 0,42 mm y 0,075mm respectivamente) son de vital importancia.

El procedimiento del Departamento de Agricultura de EEUU (USDA por sus siglas en

inglés) clasifica los suelos por la granulometría en un triángulo de textura considerando el

contenido de arena, limo y arcilla. Al igual que la USDA, la clasificación propuesta por la

Federal Aviation Administration (FAA) no contempla a las gravas en forma directa. El

Eurocódigo 7, orientado al diseño geotécnico, propone una clasificación basada en los

siguientes ensayos: contenido de humedad y densidad, densidad de partículas, análisis

granulométrico, límites de Atterberg, ensayo de índice de densidad para materiales

granulares, dispersibilidad del suelo y susceptibilidad a congelamiento.

El Sistema Unificado de Clasificación de Suelos, SUCS se fundamenta estrictamente en la

norma ASTM D 2487 y 2488 es el de uso más extendido en la práctica geotécnica.

ANEXOS

ANEXO 1: Anexo N°1: Norma ASTM D-2487 fundamento del

Sistema SUCS

ANEXO 1: Anexo N°2: Norma AASHTO M-145 fundamento del

Sistema HRB

CONCLUSIONES

Una vez revisados los sistemas de clasificación de los suelos, se puede establecer que los

suelos están formados por partículas sólidas, fluidos intersticiales y microorganismos. El

sistema unificado de clasificación de suelos SUCS (IRAM 10509) intenta categorizar los suelos

Según su comportamiento. Los fundamentos físicos que dan sustento al SUCS reflejan el

balance entre las fuerzas a nivel de las partículas, habilidad de ensamblaje (suelos gruesos sin

finos) condiciones de drenaje (suelos gruesos con finos), efectos de superficie (suelos finos) y

fuerzas capilares. El SUCS y el HRB no proveen información que hoy se reconoce de mucha

importancia: geometría de los granos, superficie específica, rigidez, diagénesis, densidad in-

situ y grado de saturación, características del fluido intersticial, parámetros del estado crítico, y

variabilidad espacial.

BIBLIOGRAFÍA

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